地球大气层简介与垂直分层

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Earth’s Atmosphere
Layers of Earth’s Atmosphere

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地球大气（Earth’s atmosphere）简介

地球大气是指一层包覆着我们地球家园的气体混合物，它不仅供我们呼吸，还通过多种方式帮助地球上生物得以生存。它为我们遮挡了大部分太阳发射的有害紫外辐射，通过温室效应使得地球表面温度维持在约33° C摄氏度（59° F华氏度），此外它极大程度阻止了昼夜温度出现巨大落差。

地球大气的气体成分

氮气（Nitrogen ，N2）和氧气（oxygen ，O2）是迄今为止最主要的大气气体，干空气中，约78%是氮气，约21%是氧气。氩气（Argon），二氧化碳（carbon dioxide ，CO2)和许多其他气体也是大气的组成部分，但是含量相对低很多，每一种气体占大气混合气体的比例都不到1% 。大气层也包含水蒸气（water vapor）。水蒸气的存在方式变化多样，但是平均来说约占1%左右。大气里也包含很多固态和液态的小颗粒（small particles），“漂浮”在大气中。科学家称这些微粒为“气溶胶（aerosols）”，包括灰尘（dust），孢子（spores）和花粉（pollen），浪花带入的盐分（salt from sea spray），火山灰（volcanic ash），烟（smoke）以及其他等。

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地球大气的垂直分层

如果从地面向高空运动，海拔越高，地球大气越稀薄（密度低，压力小），直至过渡至外太空的真空状态。地球大气没有具有精确界限的“顶层”，在海拔100-120千米的地球大气中，空气变得十分稀薄，基于多种原因，此高度的地球大气可以被认为是地球大气和外太空的边界区域。尽管如此，在离地面高度几百千米或英里的高空处，依然存在稀薄但可被有效追踪的地球大气气体。

地球大气垂直方向上分成多个层（layer），每层都有其独有的温度，压力和现象。从地面开始向上，其分别被称为对流层（troposphere），平流层（stratosphere），中间层（mesosphere），热层（thermosphere）以及外逸层（exosphere）。其中外逸层逐渐消失，进入星际空间（realm of interplanetary space）。

对流层（Troposphere）¹

对流层是地球大气最低的一层，该层包含了地球大气大部分的质量（约75~80%）。大部分类型的云都可以在此层中发现，所有的天气现象也都发生在此层。对流层是迄今为止地球大气最湿润的一层，在此之上的其他层水汽含量都很微弱。

对流层的最下面是地球表面，最上面向上延展最高可达海拔约10km（6.2英里或是33,000英尺）。对流层的厚度不仅会因纬度变化而变化（在两极处最薄，在赤道处最厚），还会因季节不同而不同（冬季最薄，夏季最厚）。在赤道附近，对流层最厚，可以达到20km，而在冬季的两极处，对流层最薄，仅有7km。

在地面附近的对流层底部，空气温暖，随着海拔高度的升高，空气温度变冷，这也是为什么高山顶在炎热的夏日依然被积雪覆盖。空气压力和密度也随着海拔增高而递减，因此高空飞行的喷气式飞机客舱内需要增压。

对流层上的邻近层称作平流层，二者之间的边界被称为"对流层顶"(tropopause）。

This diagram shows some of the features of the troposphere.
Credit: Randy Russell, UCAR

平流层（Stratosphere）²

平流层是地球大气的第二层（从下往上数），其下是对流层，其上是中间层。在中纬度地区，平流层的底部约在海拔10km处（6.2英里或约33,000英尺）。平流层顶部约在海拔50km处。平流层底部的海拔高度随着纬度和季节变化而变化。在赤道附近，底部海拔高度可达20km，而在冬季的两极，底部海拔高度仅有7km。平流层的底部边界被称为“对流层顶”，顶部边界被称为“平流层顶”。

臭氧，这种平时不常见的氧气分子，在平流层的分布却相对丰富，它能够吸收太阳发射的紫外光辐射从而让平流层升温。在平流层内垂直移动，越向上温度越高，这与我们居住的对流层（越向上温度越低）特性完全相反。由于温度的这种特性，平流层内很少出现对流，层内气流相当稳定。商业喷气式飞机就飞行在平流层的下层区域，从而避开在对流层中经常遇到的湍流（turbulence)。

平流层非常干燥，空气里水蒸气含量很低，因此平流层很少有云，几乎绝大部分的云都在海拔更低、更加湿润的对流层，除了极地平流层云（Polar stratospheric clouds， PSCs）。极地平流层云发生在地球两极冬季的平流层低空区域，一般是海拔15-25km的高空，而且只有气温降至-78° C以下时才会发生。这种云通过“鼓励”某种可以破坏臭氧的化学反应，似乎有助于形成臭名昭著的臭氧层空洞。极地平流层云也被称为“珍珠云”（nacreous clouds）。

在平流层的顶部，空气比海平面稀薄大约1000倍，因此喷气式飞机和气象探空气球在平流层即达到了其工作的极限高度。

由于没有垂直湍流，被带入平流层的物质可以长时间保持其所在高度，这就是化学物质氯氟烃（chlorofluorocarbons，CFCs）如何破坏臭氧层的。大型火山喷发和陨石撞击会将气溶胶粒子抛向平流层，在那里它们可能会逗留数月或数年，有时会改变地球的全球气候；火箭发射也会将尾气排放进平流层，从而产生不确定的后果。

地球大气中各种类型的波浪和潮汐均影响着平流层，一些将能量从对流层输送到平流层，另一些则将能量从平流层传递到中间层。大气波浪和潮汐影响着平流层的空气流动，也会引起区域性的平流层温度上升。

平流层中有一种罕见的放电现象，有点像闪电，这些“蓝色喷流（blue jets）”出现在雷暴上空，从平流层底部延伸到海拔40或50公里（25至31英里）的高度。

This diagram shows some of the features of the stratosphere.
Credit: Randy Russell, UCAR

中间层（Mesosphere）³

中间层在地球大气中位于平流层的正上方和热层的正下方，其范围位于海拔50km到85km。此层中温度随着高度上升而下降，地球大气中的最低温度（约-90° C ）就位于此层的顶部附近。中间层和热层的边界称为中间层顶（mesopause），在中间层的底部是平流层顶，它是中间层和下面平流层之间的边界。

中间层很难研究，气象探空气球和其他飞行器不能飞到足够高的高度到达中间层，而卫星的轨道高于中间层，不能直接测量这一层的特征，因此对这一层大气的了解比其他层都要少。科学家们利用探空火箭上的仪器直接对中间层大气进行取样，但这种方式飞行时间很短，而且探测频度也很低。由于直接用仪器测量中间层很困难，关于中间层的许多事情仍然处于未知状态。

大多数流星在中间层被汽化，一些来自流星的物质滞留在中间层，导致这一层有相对高浓度的铁和其他金属原子。

一种非常奇怪的高空云，称为“夜光云（noctilucent clouds）”或“极地中间层云（polar mesospheric clouds）”，有时在两极附近的中间层形成。这些奇特的云形成的高度比其他类型的云要高得多。中间层和它下面的平流层一样，与我们生活的潮湿的对流层相比要干燥得多，这使得这种云层的形成有点出乎意料。类似闪电的奇怪放电，称为“小精灵（sprites）”和“小妖精（ELVES）”，偶尔出现在对流层雷云上方数十公里（英里）的中间层。

平流层和中间层有时一起被称为中层大气。在中间层顶（中间层的顶部）和下面，由不同类型的原子和分子组成的气体被大气中的湍流完全混合在一起。在中间层以上的热层和热层以外，气体粒子碰撞非常罕见，以至于气体根据其所含化学元素的类型而变得有些分离。

大气中的各种波浪和潮汐影响着中间层，这些波浪和潮汐将能量从对流层和平流层向上输送到中间层，驱动了该层中的大部分全球环流。

This diagram shows some of the features of the mesosphere.
Credit: Randy Russell, UCAR

热层（Thermosphere）⁴

热层在地球大气中位于中间层的正上方和外逸层的正下方，其范围从地球上空约90km（56英里）延伸到500至1000km（311至621英里）。

在热层的较低区域（低于200至300公里的高度），温度随高度急剧上升，然后在高于该高度后，温度变得相当平稳。太阳活动强烈影响热层的温度，白天通常比晚上热200°C（360°F）；太阳活跃期比平时热500°C（900°F）。热层上部的温度范围约为500°C（932°F）至2000°C（3632°F）甚至更高。

热层与其上方的外逸层之间的边界称为热层顶。在热层的底部是中间层顶，它是热层和下面中间层之间的边界。

尽管热层被认为是地球大气的一部分，但这层的空气密度非常低，以至于大部分热层就是我们通常认为的外太空。事实上，最常见的定义是，外太空（space ）起始于100km（62英里）的高度，略高于中间层顶，位于热层的底部。航天飞机和国际空间站都在热层内环绕地球运行！

在热层下面，由不同类型的原子和分子组成的气体被大气中的湍流完全混合在一起。低层大气中的空气主要由大约80%的氮分子（N2）和大约20%的氧分子（O2）组成。在热层和热层以上，气体粒子碰撞的频率非常低，以至于气体根据其所含化学元素的类型而变得有些分离。来自太阳的高能紫外线和X射线也能分解热层中的分子。在上层热层中，原子氧（O）、原子氮（N）和氦（He）是空气的主要成分。

来自太阳的大部分X射线和紫外线辐射都被热层吸收。当太阳非常活跃并发出更多高能辐射时，热层变得更热，扩张或“膨胀”。因此，热层的顶部（热层顶）的高度不断变化。在海拔500公里到1000公里或更高的地方都发现了热层顶（thermopause）。由于许多卫星的轨道在热层内，由于热层的加热和膨胀引起的轨道高度上空气（非常非常稀薄）密度的变化会对卫星产生阻力。工程师在计算轨道时必须考虑到这种变化的阻力，卫星有时需要被提升到更高的位置以抵消阻力的影响。

高能太阳光子也会将电子从热层中的气体粒子中分离，产生带电的原子和分子，即带电离子。地球的电离层（由几个包含大气层中离子化粒子的区域组成），与电中性的热层在空间上重叠。

和海洋一样，地球的大气也有波浪和潮汐。这些波浪和潮汐有助于在大气层内（包括热层）移动能量。风和热层的整体环流在很大程度上是由这些潮汐和波浪驱动的。与电中性气体碰撞而被拖拽运动的离子在热层的某些部分产生强大的电流。

最后，极光（南极光和北极光）主要发生在热层。来自太空的带电粒子（电子、质子和其他离子）与高纬度热层中的原子和分子碰撞，激发它们进入更高的能量状态。这些原子和分子通过发射光子释放出多余的能量，也就是我们看到的彩色极光。

The aurora (Northern Lights and Southern Lights) mostly occur in the thermosphere.
Credit: Image Science & Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center

外逸层（Exosphere) ⁵

外逸层是地球大气中最上层的区域，它逐渐消失在外太空的真空中。外逸层的空气是极其稀薄，在许多方面，它几乎与外太空的真空环境一样。外逸层正下方是热层，两者之间的边界称为热层顶。外逸层的底部有时也被称为外逸层底（exobase）。外逸层底部边界的高度是变化的，在太阳黑子周期的顶峰时期，太阳处于活跃状态，来自太阳的X射线和紫外线辐射会加热并“膨胀”热层——将热层顶的高度提高到离地球表面1000公里（620英里）的高度；在太阳黑子周期的低点时期，当太阳较不活跃，太阳辐射就不那么强烈，热层顶退到离地球表面约500公里（310英里）的范围内。

并不是所有的科学家都同意外逸层是地球大气的一部分。一些科学家认为热层是地球大气的最上层，认为外逸层实际上是外太空。然而，其他科学家确实认为外逸层是我们星球大气的一部分。

由于外逸层逐渐过渡至外层空间，故这一层没有清晰的上边界。一种关于外逸层最外层极限的定义可达大约190,000公里（120,000英里）处，约为地月距离的一半。在此距离处，太阳光的辐射压力比地球引力对氢原子施加的力都要大。在10万公里（6.2万英里）的高空，卫星探测到了最高层大气中氢原子由于紫外线辐射而散射的微弱发光，此发光被称为“地冕（geocorona）”。

在外逸层之下，大气中的分子和原子不断地相互碰撞，而在外逸层，空气过于稀薄到，这样的碰撞非常罕见。外逸层中的气体原子和分子沿着“弹道轨迹（ballistic trajectories）”运动，这让人联想起一个投掷的球的弧形轨迹（或是发射的加农炮弹！），因为在重力的牵引下轨道会逐渐向地球弯曲。在外逸层中，大多数气体粒子沿着弯曲的轨迹快速运动，且不会撞到其他原子或分子，最终由于引力的作用而落入低层大气。然而，一些速度更快的粒子并没有返回地球，而是飞到了太空！每年有一小部分大气以这种方式“泄漏”到太空中。

补充阅读： 知乎：为什么大气层不会因外部宇宙的真空而扩散殆尽？

尽管从技术上讲，外逸层是地球大气层的一部分，但在许多方面，它是外层空间的一部分。包括国际空间站（ISS）在内的许多卫星都在外逸层或其下的空间内运行。例如，国际空间站的平均高度约为330公里（205英里），位于外逸层以下的热层中！尽管在热层和外逸层中的大气非常非常稀薄，但仍有足够的空气对在这些层内轨道运行的卫星造成轻微的阻力，这种阻力使航天器在其轨道上的速度逐渐变慢，这样它们最终会脱离轨道进入大气层燃烧殆尽，除非采取一定的措施将其向上提升保持轨道高度。国际空间站每月因这种“轨道衰变（orbital decay）”而损失约2公里（1.2英里）的高度，必须通过火箭发动机定期向上推进，才能使其保持在轨道上。

电离层⁶

地球大气层包含一系列区域，这些区域有相对大量的带电原子和分子。作为一个整体，这些区域统称为电离层。

来自太阳的高能X射线和紫外线不断地与地球高层大气中的气体分子和原子碰撞。其中一些碰撞将电子从原子和分子中分离，产生带电离子（失去电子的原子或分子）和自由电子。这些带电的离子和电子的运动和行为与正常的、电中性的原子和分子不同。离子和自由电子浓度较高的区域出现在几个不同的高度，它们被统称为电离层（ionosphere）。

电离层主要有三个区域，称为D层、E层和F层。这些区域没有明显的边界，它们出现的高度在一天中都在变化，也会随着季节变化而有所不同。D区是最低的，从距地面约60或70公里（37或43英里）开始，向上延伸至约90公里（56英里）。下一个更高的是E区域，从大约90或100公里（56或62英里）开始，一直延伸到120或150公里（75或93英里）。电离层的最上部，F区，从大约150公里（93英里）开始，向上延伸，有时高达500公里（311英里）以上的地球表面。

电离层区域不像更熟悉的对流层和平流层，被认为是地球大气内独立的一层，相反，它们是嵌入在标准大气层中的电离区。D区一般位于中间层上部，E区一般出现在热层的下部区域，F区出现在热层上部区域。

电离粒子的高度、密度，甚至电离层不同区域的存在与否都随时间而变化。电离层在白天和夜间差异非常大。白天，太阳发出的X射线和紫外线不断地提供能量使电子脱离原子和分子，从而持续产生带电离子和自由电子。与此同时，一些离子和电子碰撞并重新结合，形成正常的、电中性的原子和分子。白天，产生的离子多于被破坏的离子，因此这三个区域的离子数量增加。夜间，由于没有阳光照射，重新结合成电中性粒子的过程占主导，离子数量下降。在大多数夜晚，D区完全消失，而E区由该层离子数量骤降而变薄。每天早晨，当太阳的X射线和紫外光再次照射，D和E区域重新充满了离子。最高海拔的F区在整个夜间都存在，但在白天通常分为一个上层的F2层和一个下层的F1层。

在卫星通信普及之前，无线电通信系统的运营商经常利用电离层来扩大其传输范围。无线电波通常是直线传播的，所以除非一个高的发射塔能“看到”接收塔的顶部，否则对于那些不在地平线之上的无线电台，地球的曲率限制了无线电波的传播范围。然而，在某些电离层中，无线电波的某些频率被该层的带电粒子上反弹或是反射。因此，卫星通信出现以前，无线电通信经常利用这一现象，将无线电波从“天空”反射出去，以扩大信号的范围。无线电运营商必须考虑到电离层的固有变化，特别是白天和夜间电离层的移动或消失，以便有效地利用无线电波的镜面反射。

电离层区域可以吸收或抑制无线电信号，或者弯曲无线电波，以及如上所述的反射信号。具体的行为取决于无线电信号的频率以及所涉及电离层区域的特性。由于全球定位系统（GPS）卫星使用无线电信号来确定位置，当这些信号通过电离层区域时会发生弯曲，从而使得GPS的精度严重降低。类似地，如果使用的频率是电离层完全衰减或吸收的频率，则某些无线电通信可能会干扰，从而导致信号减弱，甚至完全失去通信。科学家们持续地测量和制作能够代表不断变化的电离层的计算模型，以便负责无线电通信的人能够预测干扰情况。

科学家们以各种方式利用无线电波探测和监测原本看不见的电离层。地面和卫星上的各种无线电天线和雷达系统被用来监测不断变化的电离层。无线电天线“监听”电离层本身产生的无线电信号，雷达系统向电离层的不同区域发射信号，通过比对原始发射器信号和接收器收到的通过电离层的发射器信号，从而分析这些信号被抑制或重定向的程度。

随着电离层的每日波动，在这一组复杂的区域中也有季节性和长期的变化。由于地轴的倾斜，阳光强度会因地而异，由此产生不同纬度地区季节性的温暖和凉爽。同样，由于太阳的X射线和紫外光强度峰值点所在地理位置不断变化，从而使得离子产生速率也是因地而异，当峰值点在全球移动时，就产生了电离层的季节变化。大气季节性的化学变化也发挥一定作用，影响着从大气中去除离子的复合事件的发生率。从长期来看，11年的太阳黑子周期对包括电离层在内的大气层上层有着强烈的影响。在可见光波段，太阳的亮度在黑子周期的高点和低点之间变化不到1/1000；然而，太阳的X射线和紫外线输出在整个太阳周期中变化大得多，波动幅度为10倍或更多。由于这些X射线和紫外辐射控制了电离层离子的形成速率，因此辐射强度的巨大变化导致电离层区域离子密度的巨大变化。此外，太阳耀斑和太阳日冕物质抛射所引发的大型地磁风暴会对电离层造成严重的暂时性干扰。

Regions of the ionosphere, showing the D, E and F layers.
Credit: UCAR Center for Science Education staff (Randy Russell)

The End

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1. The Stratosphere - overview ↩︎

2. The Stratosphere - overview ↩︎

3. The Mesosphere - overview ↩︎

4. Thermosphere - overview ↩︎

5. Exosphere - overview ↩︎

6. The Ionosphere ↩︎